宋 磊

（中國電子科技集團(tuán)公司第十二研究所，北京 100015）

1 飛秒激光切割的現(xiàn)狀

激光技術(shù)在現(xiàn)代工業(yè)中占據(jù)重要的地位，在很多精密操作過程中都少不了激光操作。激光加工主要分為兩種，一種是定點沖擊，另外一種是掃描加工。定點沖擊是利用小孔進(jìn)行加工，主要的研究的目的是通過調(diào)節(jié)激光的參數(shù)以及鉆孔的大小來進(jìn)行工作的實現(xiàn)。掃描加工則是進(jìn)行精密的特定形狀的微結(jié)構(gòu)的加工，主要的目的是提高加工的準(zhǔn)確度，在這兩種傳統(tǒng)的激光加工過程中，被加工的物件的表面精度限制著物件的性能。因此現(xiàn)在所出現(xiàn)的飛秒激光切割是在此基礎(chǔ)上所研究出來的一種節(jié)約成本、高質(zhì)量的激光切割技術(shù)。飛秒激光切割的技術(shù)在目前來講十分成熟，利用飛秒激光切割技術(shù)加工金屬或其他介質(zhì)的過程中，利用其短暫的脈沖寬度和峰值功率，對物件的燒蝕過程做冷處理。飛秒切割技術(shù)消耗的材料少，時間短，精度高，具有很高的工作效率。

2 實驗過程

飛秒激光器是美國的光譜物理公司生產(chǎn)的一種摻鈦藍(lán)寶石的固體飛秒激光系統(tǒng)，這種激光系統(tǒng)的輸出功率穩(wěn)定在4 W，脈沖的寬度一般是123 fs，重復(fù)頻率是1 kHz，中心的波長是800 nm。激光從飛秒激光器發(fā)出，經(jīng)過圓形的漸變?yōu)V鏡盤來調(diào)整激光的能量，然后用焦距為50 mm的濾鏡聚焦，將一塊厚度為100 μm的銅箔固定在X－Y－Z三維運動平臺上，在經(jīng)過第一次掃描后，相對光斑的位置進(jìn)行再一次的掃描，這次的掃描的目的是進(jìn)行修復(fù)加工。在X－Y－Z三維運動平臺上，X代表是激光切割的水平軌跡路線，Y代表的是聚焦光斑和銅箔移動的位置變換。Z代表的是進(jìn)給深度。在實驗結(jié)束后，應(yīng)利用電子顯微鏡進(jìn)行觀察銅箔，在這里，作者使用的是掃描電子顯微鏡（捷克TESCAN公司，MIR3 LMU）觀察銅箔表面的大致形貌，再用光學(xué)表面輪廓儀測量銅箔的表面粗糙程度。因為使用的是100 μm厚的銅箔，所以使用的測量倍數(shù)在2.5～200之間，測量的范圍則是64 μm×48 μm的區(qū)域。

3 實驗結(jié)果探究

3.1 飛秒激光切割技術(shù)對金屬的斷面影響分析

在飛秒激光切割技術(shù)切割銅箔的過程中發(fā)現(xiàn)，隨著單脈沖能量的增加，切割的速度也在不斷增加，最終會達(dá)到一種穩(wěn)定值，當(dāng)單脈沖能量低于450 μJ時，切割速度是主要的影響因素，但當(dāng)脈沖能量高于450 μJ時，表面粗糙度隨著能量的增加而增加，因此在具體的操作過程中，應(yīng)根據(jù)具體的需要而進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。并且在操作的過程中，燒蝕的表面含有部分氯氣，會影響激光操作的過程。

3.2 弱激光再掃描技術(shù)對金屬的表面粗糙度的影響探究

在飛秒激光切割技術(shù)的操作過程中，單脈沖能量和燒蝕時間對加工的質(zhì)量影響明顯，能量越大，燒蝕時間長，反應(yīng)劇烈，質(zhì)量較差，工作效率高。在第一次的切割之后，金屬切面的殘留氧化物很多，在此時進(jìn)行若激光再掃描表面修復(fù)技術(shù)將會大大提高工作質(zhì)量和效率。在第一次加工的基礎(chǔ)上進(jìn)行垂直于切割面的進(jìn)給深度，并且調(diào)節(jié)單脈沖能量的大小和掃描速度，保證工作能夠以正常速度運行。此操作是為了消除表面殘留氧化物的操作。在進(jìn)行進(jìn)給深度加工過程中進(jìn)給的深度也會影響金屬表面的粗糙度。在操作時選擇合適的單脈沖能量大小和燒蝕的時間，速度相同，單脈沖能量越大，工作效率越低，因此選擇合適的單脈沖能量和速度可以增加工作效率，根據(jù)相關(guān)的經(jīng)驗，在此次實驗中設(shè)置單脈沖能量是 100 μJ，平均掃描速度是 100 μm/s。根據(jù)已有的條件進(jìn)行光學(xué)聚焦理論的計算發(fā)現(xiàn)激光聚焦中心的直徑和進(jìn)給深度的直徑相似時，這時才會出現(xiàn)對粗糙度最小的金屬表面，過大或者過小會導(dǎo)致燒蝕時間的長或短會影響粗糙度的變化。

3.3 掃描次數(shù)對金屬的表面粗糙度的影響探究

再掃描技術(shù)是激光操作的重要組成部分，根據(jù)不同的金屬和相關(guān)的參數(shù)設(shè)置相對合理的在掃描次數(shù)。在此次操作中，選取的銅箔進(jìn)行第三次掃描后表面粗糙度是122.56nm，然而第四次掃描則是133.5nm，因此可知，過多的掃描會導(dǎo)致燒蝕時間的增加，進(jìn)而導(dǎo)致粗糙度的增加，從而降低工作的效率。

4 結(jié)語

由前面的一系列的操作得出的相關(guān)結(jié)論是在隨著單脈沖能量的不斷增加燒蝕間也隨之增加的條件下，飛秒激光對金屬燒蝕的熱效應(yīng)逐漸增加，因此在掃描加工法的過程中，脈沖能量逐漸增大，導(dǎo)致金屬表面的燒蝕越加嚴(yán)重，產(chǎn)生氧化物導(dǎo)致表面粗糙度較高。采用弱激光再次掃描技術(shù)有助于改善金屬的表面質(zhì)量，在上述的探究過程中即可以看出來此技術(shù)的重要作用。因此飛秒激光切割技術(shù)具有良好的前景，打破了原有技術(shù)的局限性，簡化了激光技術(shù)的應(yīng)用。